概要

本應(yīng)用報(bào)告對(duì) ISO72x 系列數(shù)字隔離器隔離層的使用壽命" title="使用壽命">使用壽命" title="高壓使用壽命" title="高壓使用壽命">高壓使用壽命">高壓使用壽命特性進(jìn)行了考究。其為用戶提供了關(guān)于該系列產(chǎn)品長(zhǎng)期、耐高壓能力的有關(guān)信息。

?

1、引言?

工業(yè)控制系統(tǒng)通常使用數(shù)字隔離器，該系統(tǒng)停工期成本較高，且可靠性也是該市場(chǎng)設(shè)備提供商最為關(guān)注的問(wèn)題。產(chǎn)品說(shuō)明書規(guī)范涵蓋了該隔離器的全面功能和參數(shù)性能，包括單事件、高壓瞬態(tài)隔離層的最大電壓能力。但是，這些規(guī)范均不足以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期高壓應(yīng)用條件下隔離特性的行為。?

本應(yīng)用報(bào)告提供了在 150℃ 結(jié)溫下，ISO72x 系列數(shù)字隔離器與一個(gè) 560V 連續(xù)輸入至輸出一起運(yùn)行時(shí)的隔離特性的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。?

本報(bào)告首先對(duì)絕緣特性和額定電壓" title="額定電壓">額定電壓進(jìn)行了定義，然后對(duì) ISO72x 隔離層進(jìn)行了描述。并顯示了經(jīng)時(shí)擊穿 (TDDB) 模型和 ISO72x 測(cè)試結(jié)果。?

2、絕緣特性與額定電壓?

物理及化學(xué)構(gòu)成決定了介電層具有固有絕緣特性，其包括可能在生產(chǎn)過(guò)程中引入的雜質(zhì)和非完整性物質(zhì)（內(nèi)含物）。人們非常清楚，這些內(nèi)含物會(huì)導(dǎo)致該種絕緣特性會(huì)隨時(shí)間而改變，并導(dǎo)致介電層的最終失效?？赏ㄟ^(guò)對(duì)介電層施加一個(gè)電場(chǎng)和/或通過(guò)提高其溫度來(lái)加速這些變化的發(fā)生。?

大多數(shù)數(shù)字耦合器的產(chǎn)品說(shuō)明書規(guī)范均只包括初始額定電壓。對(duì)于基本絕緣應(yīng)用而言，大多數(shù)常見(jiàn)（包括 ISO72x 系列）隔離耦合器是指 4000-V (V_IOTM) 額定電壓。表 1 為廠商提供的典型的產(chǎn)品說(shuō)明書額定電壓。單獨(dú)從這一方面來(lái)講，該額定電壓并不意味著這種產(chǎn)品可以無(wú)限期地或者在任意高溫條件下經(jīng)受 4000V 的電壓。實(shí)際上，只有在該額定電壓下才有可能預(yù)測(cè)這種產(chǎn)品隨時(shí)間而變化的耐壓特性，其耐壓特性可能會(huì)受到如工廠地面環(huán)境不斷的高壓擊打 (strike) 的影響。?

表 1、絕緣特性的典型產(chǎn)品說(shuō)明書規(guī)范

?

人們所關(guān)心的另一個(gè)絕緣額定電壓為工作電壓" title="工作電壓">工作電壓 (V_IORM)，或連續(xù)運(yùn)行電壓。這種額定電壓意味著，如果其運(yùn)行在施加于輸入端和輸出端之間的電壓下，那么該產(chǎn)品在整個(gè)使用壽命中均保留了其絕緣特性。通常，半導(dǎo)體產(chǎn)品的最短使用壽命為 10 年。?

3、ISO72x 器件的描述?

ISO72x 系列產(chǎn)品由一個(gè)被高阻抗隔離層分離的輸入和輸出半導(dǎo)體器件組成，而設(shè)計(jì)該高阻抗隔離層的目的是用于電子信號(hào)在該隔離層上的傳輸。ISO72x 使用容性耦合以實(shí)現(xiàn)在隔離層上傳輸信號(hào)，同時(shí)保持與輸入相關(guān)的輸出端隔離。該電容器介電層為半導(dǎo)體級(jí)二氧化硅，并且為隔離層。如圖 1 所示，該電容器構(gòu)建在一個(gè)由鍍銅組成的頂板 (top plate)，以及一個(gè)由摻雜硅基板制造而成的底板之上。頂板 BCB（苯并環(huán)丁烯）自旋對(duì)介電質(zhì)的鈍化增強(qiáng)了這種絕緣特性。

?

?

圖 1、ISO72x 系列產(chǎn)品的隔離層

?

4、建模和測(cè)試方法?

4、1 介電層擊穿的 TDDB E－模型?

經(jīng)時(shí)擊穿 (TDDB) 是介電材料（如二氧化硅 (SiO₂)）的一種重要的失效模式" title="失效模式">失效模式。E－模型 ⁽¹⁾ 是一種人們最為廣泛接受和使用的電容器擊穿模型，并且可以被用于所有介電層厚度 ⁽²⁾。這種 E－模型不僅僅是一種現(xiàn)象 ⁽³⁾，而且還具有物理退化機(jī)制 ⁽⁴⁾理論基礎(chǔ)。E－模型被視為所有文獻(xiàn) ⁽⁵⁾ 中所有模型中最為可靠的一種。更為復(fù)雜的系統(tǒng)（例如本文中討論的系統(tǒng)）可能會(huì)有多種失效模式或者退化機(jī)制；每一種模式均可以通過(guò)其各自的 E－模型被建模。所有這些介電層退化率之和將會(huì)決定失效的總時(shí)間。?

電容器將為所有的隔離器件的輸入至輸出建模。電容器介電層厚度和材料類型會(huì)因產(chǎn)品的不同而不同。在 ISO72x 系列產(chǎn)品中，這種電容器是有源電路的組成部分，而并非是光學(xué)耦合器或電感/磁耦合器件情況中寄生電路的一部分。?

使用壽命預(yù)測(cè)是通過(guò)一系列加速應(yīng)力 TDDB 測(cè)試來(lái)完成的。依照 E－模型，失效時(shí)間 (TF) 與電場(chǎng)相關(guān)，如方程式 1 所示。?

??????????????????????????????????????方程式 1

?

其中，?H_o 為氧化物擊穿的熱函（被稱為活化能），E_ox 為隔離層的電場(chǎng)，其由隔離層厚度外加應(yīng)力電壓 (V_S) 的比率得出，k_b 為波爾茲曼 (Boltzmann) 常數(shù)，而 g 則為場(chǎng)加速參數(shù)。該數(shù)據(jù)是在?150℃ 最壞運(yùn)行條件下得出的，以避免進(jìn)行溫度修正。由于 V_S 與 E_ox 成比例關(guān)系，且不必解決溫度加速問(wèn)題，因此可以使用一個(gè)簡(jiǎn)化模型（如方程式 2 所示），與此相對(duì)，只有 TF 加速完全應(yīng)用了較高電壓 V_S。

?

?????????????????????????????????????????????????? 方程式 2

?

其中，M（電壓加速參數(shù)）為一個(gè)與 g ?成比例關(guān)系的常數(shù)。因此，通過(guò)使用方程式 2，E－模型預(yù)測(cè)其為指數(shù)關(guān)系，或者，如果使用對(duì)數(shù)標(biāo)尺將 TF 繪制在 Y 軸上，并使用線性刻度將 V_S 繪制在 X 軸上，那么該關(guān)系看起來(lái)為線性圖。既然這樣，M 就為該條線的斜率。?

將該條線外推至工作電壓 (V_IORM)，以實(shí)現(xiàn)使用壽命預(yù)測(cè)，而且通常非?？煽?。這是通過(guò)運(yùn)用比工作電壓更高的電壓進(jìn)行加速測(cè)試的一個(gè)結(jié)果。該較高電壓將激活其他導(dǎo)致明顯背離于 E－模型的介電層退化模式。低壓條件下可能為非激活狀態(tài)的其他模式往往會(huì)降低這種斜率，從而導(dǎo)致較低的設(shè)計(jì) TF。?

(1) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書目 1?

(2) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書目 2?

(3) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書目 3?

(4) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書目 4 和 5 ?

(5) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書目 6 和 7?

4、2 測(cè)試方法?

一般而言，我們通常研究的是晶圓級(jí)半導(dǎo)體的使用壽命。但是，由于涉及電壓，并且為了獲得更為精確的產(chǎn)品失效模式分析，本應(yīng)用報(bào)告中采用了封裝部件進(jìn)行測(cè)試。該測(cè)試設(shè)置中，過(guò)孔、雙列直插封裝 (DIP) 生成了非人為數(shù)據(jù)；因此，DIP 部件生成了大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)。小外形集成電路 (SOIC) 和 DIP 器件均被測(cè)試和分析，以確定相同失效模式被激活。圖 2 顯示了測(cè)試器件 (DUT) 的這種測(cè)試設(shè)置。

?

圖 2、高壓使用壽命的測(cè)試設(shè)置

?

在一個(gè)使用高壓源的二端結(jié)構(gòu)中，基本方法是從輸入到 DUT 輸出施加一個(gè)應(yīng)力電壓，同時(shí)將靜態(tài)空氣溫度和環(huán)境空氣溫度均保持在 150℃。測(cè)試的開(kāi)始激活了一個(gè)計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器在電路電流超出 1mA 時(shí)停止，其意味著介電層已經(jīng)失效。TF 因每一個(gè)應(yīng)用測(cè)試電壓而變得明顯。在每一個(gè)測(cè)試電壓上獨(dú)立地完成對(duì) DUT 的測(cè)試（每次測(cè)試一個(gè) DUT），可獲得有效的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。?

5、結(jié)果?

5、1 TDDB E－模型預(yù)測(cè)?

使用一個(gè)線性威布爾 (Weibull)^（6） 圖對(duì)該原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以測(cè)定最壞情況下的 TF；其在每一個(gè)測(cè)試電壓上被向下外推至 10-ppm 水平。外推 TF (10 ppm) 被繪制了出來(lái)，與圖 3 中的測(cè)試電壓相對(duì)應(yīng)。

?

?

額定 V_IORM=560V?

峰值或400V_rms??? 輸入至輸出電壓 – V_rms?

注釋：3E+0.8秒=10 年?

圖 3、使用 TDDB E-模型的高壓使用壽命

?

(6) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書目 12，威布爾圖更適用于諸如電容擊穿等數(shù)據(jù)的分析?

通過(guò)利用圖 3 中所繪制的 TDDB E－模式，表 2 總結(jié)了不同 V_IORM (Vpeak) 值情況下的使用壽命預(yù)測(cè)。

?

表 2、基于 TDDB E－模型的高壓使用壽命預(yù)測(cè)

?

?

?

5、2 模型比較?

與 E－模式的使用不同，其它同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品通常使用一個(gè)與其數(shù)據(jù)相匹配的任意擬合 (fit)，其并非基于任何物理介電層退化模型。如圖 4 中所示的功率擬合就是其中的一個(gè)實(shí)例。圖 3 中使用的相同數(shù)據(jù)在此處被繪制出來(lái)，通過(guò)使用一條如圖 4 所示的功率曲線產(chǎn)生出一條最佳擬合趨勢(shì)線。正如我們能看到的那樣，通過(guò)使用這種方法有望獲得更長(zhǎng)的使用壽命。將已發(fā)布的電感耦合器件的同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)（也是在 10-ppm 水平時(shí)的數(shù)據(jù)）包括在內(nèi)，以進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)使用以年為單位的時(shí)間刻度來(lái)發(fā)布競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)；因此，圖 4 中，將這些單位從年轉(zhuǎn)換到秒，以進(jìn)行比較。TI 優(yōu)先選擇 TDDB E－模式是因?yàn)檫@種模式較為可靠，而且與其他模式或者最佳數(shù)據(jù)擬合方法相比較，其可以帶來(lái)高可信度的預(yù)測(cè)。

?

?

輸入至輸出電壓-V_rms?

???????????????????????????????????? 注釋：3E+0.8秒=10 年?

圖 4、基于最佳曲線擬合的高壓使用壽命

?

6、結(jié)論?

在 560V 的工作電壓下，ISO72x 系列產(chǎn)品可以安全工作超過(guò) 25 年。結(jié)果還表明，隔離層是穩(wěn)健的，并且可以經(jīng)受高達(dá) 4000 Vpeak 或 2828 Vrms 的多種高壓擊穿情況（如 V_IOTM 額定電壓規(guī)定的那樣）。?

7、參考書目?

1、《在長(zhǎng)期/低場(chǎng)測(cè)試條件下，SiO₂ 的 E 模型與 1/E TDDB 模型的比較》，作者： TI 和加州大學(xué)伯克萊分校 (University of California at Berkeley) 的 McPherson、Vijay Reddy、Kaustav Banerjee 以及 Huy Le，IEDM 98-171-174。?

2、《集成電路中低 K 互連介電層擊穿的可靠性分析方法》，作者：?????????? G.S. Haase、E.T. Ogawa 以及 Joe McPherson，98 應(yīng)用物理期刊， 34503-34514（2005 年版）?

3、《國(guó)際可靠性物理座談會(huì)》，作者：A. Berman，IEEE 1981 年版，第 204 頁(yè)?

4、《國(guó)際可靠性物理座談會(huì)》，作者：Joe McPherson 和 D. Baglee，IEEE 1985 年版，第 1 頁(yè)?

5、《84 應(yīng)用物理期刊》，作者：Joe McPherson and H.C. Mogul，1513（1984 年版）?

6、《統(tǒng)一的柵極氧化層可靠性模型》，作者：加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校 (University of California at Berkeley) 的 Chenming Hu 與 Qiang Lu，IEDM 99-445-448?

7、《超薄二氧化硅中經(jīng)時(shí)擊穿的統(tǒng)一模型》，作者：松下電子公司 (Matsushita Electronics Corporation) 的 Kenji Okada 與 Kenji Yoneda；IEEE 99CH36296，1999 年加利福尼亞州圣地亞哥第 37 屆國(guó)際可靠性物理座談會(huì)?

8、《HCPL-0721 產(chǎn)品說(shuō)明書》，安華高科技?

9、《iCoupler 隔離技術(shù)：去除那些令人頭痛的光學(xué)耦合器》，美國(guó)模擬器件公司?

10、《ADuM1100 產(chǎn)品說(shuō)明書（修訂版 E）》，美國(guó)模擬器件公司?

11、《ISO72x 產(chǎn)品說(shuō)明書》，TI (SLLS629) ?

12、《針對(duì)工程人員的概率統(tǒng)計(jì)（第三版）》，作者：Irwin Miller、John E. Freund， Prentice Hall ISBN，0-13-711938-0?